史加祥

【摘 要】《義務教育科學課程標準（2022年版）》首次明確地將模型建構(gòu)作為科學思維核心素養(yǎng)的重要組成部分。模型經(jīng)常被應用于小學科學教學中，但存在對小學科學模型建構(gòu)的研究與教學重視程度不夠的情況。文章在對模型建構(gòu)內(nèi)涵理解的基礎上，明確了科學模型建構(gòu)教學的過程與水平，在具體化和細化模型建構(gòu)教學過程的基礎上進行了教學實踐，為培養(yǎng)學生的科學思維提供了方向。

【關(guān)鍵詞】科學課程;核心素養(yǎng);模型建構(gòu);科學思維

《義務教育科學課程標準（2022年版）》（以下簡稱“新課標”）明確了科學課程核心素養(yǎng)的內(nèi)涵與組成[1]4，模型建構(gòu)作為科學思維核心素養(yǎng)的重要組成部分被首次直接表述，意味著模型建構(gòu)教學對于學生的科學學習有著重要的意義及價值。模型在科學的歷史發(fā)展與當前實踐中普遍存在，離開模型的科學是難以想象的?？茖W教育中的模型建構(gòu)是科學的關(guān)鍵特征，也是科學素養(yǎng)的重要組成部分[2]。還有研究將科學直接定義為科學建模的過程，認為科學學習過程中的觀察、描述、解釋、預測、推理微觀和宏觀自然事物、自然現(xiàn)象的實質(zhì)就是建構(gòu)和應用科學模型的過程[3]。由此可見，模型建構(gòu)在科學教學中至關(guān)重要，教師需要在深刻理解其內(nèi)涵的基礎上開展扎實的教學實踐。

一、模型建構(gòu)教學的現(xiàn)狀與發(fā)展要求

目前，針對小學科學模型建構(gòu)的教學實踐整體偏少，主要原因是研究者對小學階段科學模型建構(gòu)的理解存在差異，沒有厘清模型建構(gòu)與學生科學素養(yǎng)之間的關(guān)系。

1.小學科學模型建構(gòu)教學的現(xiàn)實理解

模型對于小學科學教學來說并不陌生，教師在科學教學中經(jīng)常會使用各種標本、裝置或模型進行教學，也會采用模擬活動來幫助學生認識和理解科學現(xiàn)象。在很多科學教師的理解中，模型必須是實體、可觸摸的。有研究者在模型的實物特點上對其含義進行了擴展，認為模型還可以用觀念、數(shù)學符號將自然世界中的現(xiàn)象和事物表達出來[4]。也有研究者將模型分為實體模型、概念過程模型和數(shù)學模型三種類型。實體模型是指根據(jù)相似性理論制造的按原系統(tǒng)比例縮小、放大或與原系統(tǒng)等大的實物，概念過程模型指呈現(xiàn)概念之間的關(guān)系和影響方式的模型，數(shù)學模型則指利用數(shù)理邏輯方法和數(shù)學語言符號建構(gòu)的模型。[5]在小學科學中，采用模型建構(gòu)方法進行教學以地球與宇宙科學領(lǐng)域內(nèi)容居多。如賀子聰，高曉燕在“月相”的教學中使用模型幫助學生理解月相何時可見、朔月為何不易見以及月相變化規(guī)律等[6]。錢星星則在認識月球環(huán)形山內(nèi)容的教學中，引導學生通過動手“造”環(huán)形山，對月球環(huán)形山形成的可能原因進行了探究[7]。從已有文獻可以看出，教師對小學科學模型建構(gòu)的研究與教學重視程度不夠，對其內(nèi)涵的認識與理解不足，究其原因主要是原有課程標準中對模型建構(gòu)的要求不夠清晰和明確。

《義務教育小學科學課程標準》中，模型建構(gòu)并沒有作為科學探究的重要組成部分，相關(guān)要求出現(xiàn)在“地球與宇宙科學領(lǐng)域”中，讓學生通過實地觀察、長期觀測、建構(gòu)模型、模擬實驗、邏輯推理等方法對地球與宇宙中的有關(guān)現(xiàn)象、事物和規(guī)律有一定的了解[8]。由此可見，教師在地球與宇宙科學領(lǐng)域?qū)δＰ徒?gòu)的實踐較多也在情理之中，也充分說明模型建構(gòu)教學的價值還未得到應有的認可與重視。

2.模型建構(gòu)的科學課程核心素養(yǎng)要求

新課標將科學課程核心素養(yǎng)分為科學觀念、科學思維、探究實踐、態(tài)度責任等，模型建構(gòu)作為科學思維的重要組成部分被明確提出，并指出模型建構(gòu)體現(xiàn)在：以經(jīng)驗事實為基礎，對客觀事物進行抽象與概括，進而建構(gòu)模型;運用模型分析、解釋現(xiàn)象和數(shù)據(jù)，描述系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)、關(guān)系及變化過程[1]4-5。新課標不僅指出了模型建構(gòu)的路徑，還明確了如何運用與分析模型。筆者對新課標中課程總目標和學段目標的模型建構(gòu)要求進行了梳理（見表1）。模型建構(gòu)的過程可分為模型意識、模型理解、模型建構(gòu)、模型運用等不同階段和水平。

表1 新課標的模型建構(gòu)分階段學習要求

[學段 學段目標 1～2年級 能利用材料和工具，通過口述、繪畫、畫圖等方式表達自己的想法 3～4年級 能利用模型解釋簡單的科學現(xiàn)象 5～6年級 能使用或建構(gòu)模型，解釋有關(guān)的科學現(xiàn)象和過程 7～9年級 針對真實情境中的簡單問題，能基于事實與證據(jù)，利用分析、比較、抽象和概括等思維方法建構(gòu)模型，能運用簡單模型解釋常見現(xiàn)象，解決常見問題 ]

二、模型建構(gòu)教學的內(nèi)涵理解

教師對模型建構(gòu)的理解存在差異主要源于對課程標準的解讀以及在教學實踐中形成的認知不同。在進行模型建構(gòu)教學之前，教師有必要從新課標角度對其內(nèi)涵、原則等進行再理解。

1.多維視角下的模型建構(gòu)

從不同的視角審視模型建構(gòu)，會有不同的理解與詮釋，如有研究將模型建構(gòu)的過程解釋為通過關(guān)注關(guān)鍵特征來解釋和預測科學現(xiàn)象，抽象、簡化并進行系統(tǒng)表達的過程[9]。還有研究將科學建模能力定義為針對自然現(xiàn)象抽象出主要特征，依據(jù)科學直覺建構(gòu)關(guān)系、結(jié)構(gòu)等概念模型，并用科學語言進行表征的能力[10]。不同的定義與解釋有共通之處，也有不同的視角差別。

有研究從刺激與反應的行為視角對科學模型建構(gòu)進行分析，將科學建構(gòu)作為操作性過程，包括建模語言、系統(tǒng)表征和從表征到模型的過程等[11]。行為視角觀點雖然增強了科學模型建構(gòu)教學實踐的可操作性，學生在反復的行為訓練中建模能力得到提升，但對學生在建模過程中的心理認知變化無法進行科學的解釋。鑒于此，很多研究從心理與認知視角對模型建構(gòu)的心理、意識的內(nèi)在機理進行解讀。心理認知視角認為科學建模不是簡單的表征模型的過程，而是完整的信息輸入、接受、加工、提取和輸出的過程，也是信息抽象，理解關(guān)系及結(jié)構(gòu)的過程。心理認知視角關(guān)注了科學建模過程中學生心理加工的過程，但在教學實踐中卻無法直接進行評價與探測，只能通過學生的學習表現(xiàn)來推測。在對科學建模的行為與認知觀點優(yōu)缺點分析整合的基礎上產(chǎn)生了建構(gòu)主義。建構(gòu)主義認為科學建模的過程是學生在面對問題情境和學習任務下，主動應用和建構(gòu)概念的過程。建構(gòu)主義視角是將外部環(huán)境刺激、內(nèi)部心智的操作性過程和模型建構(gòu)過程作為統(tǒng)一連貫的整體進行理解，既強調(diào)建模的刺激反應的外在行為表現(xiàn)，也重視心理加工與內(nèi)在思維活動。

不同視角對模型建構(gòu)的理解不是完全隔絕和獨立的，而是在繼承的基礎上發(fā)展。筆者在綜合不同觀點并結(jié)合新課標的基礎上，將科學模型建構(gòu)解釋為學生主體從經(jīng)驗事實出發(fā)，對科學情境、任務和問題中涉及的科學現(xiàn)象、事物進行抽象和概括等建構(gòu)模型，并運用模型分析、解釋、描述系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)與關(guān)系等復雜加工后逐漸形成科學模型的過程?？茖W建模能力則指在此過程中學生表現(xiàn)出來的穩(wěn)定的、個性化的心理素質(zhì)。

2.模型建構(gòu)的過程與水平理解

基于不同的視角會形成不同的模型建構(gòu)。筆者結(jié)合新課標中模型建構(gòu)的總目標和分階段目標，將小學階段科學的模型建構(gòu)教學從過程與學生表現(xiàn)兩個方面進行整體理解，將學生科學模型建構(gòu)的過程與水平以交叉、螺旋的方式呈現(xiàn)，使科學建模的教學與評價達成一致（如圖1）。

由圖1可知，小學科學模型建構(gòu)教學的起點是“情境、任務、問題”。教師通過創(chuàng)設情境、提出問題，讓學生基于原始模型進行觀察、分析、比較、抽象、概括，在心智參與后對模型進行選擇并初步形成新的模型，即過渡模型。教師讓學生在交流、解釋中通過圖畫、文字、數(shù)據(jù)等對模型進行表征，進而對模型進行認知分析。同時，教師通過實驗、模擬等活動，讓學生積極、主動地使用或調(diào)用加工形成的模型，對模型進行驗證、修正，最終形成科學模型，并能在新的情境中進行遷移。

另外，科學模型建構(gòu)的教學并不是分析不同學習階段差異后簡單的線性化與流程化處理，而是從學生已有認知、經(jīng)驗、心智發(fā)展水平出發(fā)，在不同的科學知識內(nèi)容學習中迭代與循環(huán)。因此，在不同的學習階段，學生會有不同的表現(xiàn)、發(fā)展可能與空間。對學生模型建構(gòu)的表現(xiàn)可以從“對科學現(xiàn)象、事物解釋與預測的生成性理解”和“模型建構(gòu)生成的科學知識是暫時的、動態(tài)的、可改變的”兩個角度進行理解。兩種理解雖然角度不同，但對科學模型的多重作用，以及科學知識學習過程和科學本質(zhì)具有發(fā)展性和復雜性的認識是相同的。筆者結(jié)合新課標，對科學模型建構(gòu)中的學生表現(xiàn)進行分析，形成了科學模型建構(gòu)的水平理解（見表2），將教學過程與表現(xiàn)水平整體設計，注重實現(xiàn)“教—學—評”一致性。

三、小學科學模型建構(gòu)的教學實踐

1.科學模型建構(gòu)教學的具體流程

模型建構(gòu)教學是科學思維與方法培養(yǎng)的重要手段，教師需要在分析學生已有經(jīng)驗和模型認知水平的基礎上，結(jié)合新課標要求和教材內(nèi)容，對教學目標進行重點梳理與分析，在扎實的課堂教學實踐中培養(yǎng)與發(fā)展學生的模型建構(gòu)能力?；诖?，筆者總結(jié)了科學模型建構(gòu)教學過程的具體流程如下（如圖2）。

由圖2可知，科學模型建構(gòu)教學實踐最開始是“現(xiàn)象、問題錨定”，在此過程中，教師創(chuàng)設情境引出某個現(xiàn)象或提出問題，學生在對現(xiàn)象分析和問題界定的基礎上形成想法、觀點或假設?！俺尸F(xiàn)原始模型”是指學生利用文字、圖畫、表格等構(gòu)建和呈現(xiàn)一個包含他們自己想法與觀點的原始模型?！坝^察、調(diào)查、實踐”指學生在分組和合作學習的基礎上進行觀察、調(diào)查，為解決核心問題及修改模型收集資料和證據(jù)，在分析、分享中利用模型解釋、發(fā)現(xiàn)存在的矛盾與沖突?！靶纬蛇^渡模型”是指學生在矛盾與沖突的基礎上評估并修改原始模型，形成與觀察、調(diào)查較為契合的模型。“探究、實驗應用”是指學生運用過渡模型設計科學的實驗并實施，輸入與實驗結(jié)果相關(guān)的科學概念、理論，在結(jié)合實驗與理論的基礎上形成較為科學的認識。隨后學生利用形成的科學思想與觀念對模型進行“修正、改進、完善”，在交流中介紹和展示，討論并判斷模型，在小組或整個班級中形成共識的基礎上“構(gòu)建科學模型”。最后是使用模型“預測、解釋、遷移”其他相關(guān)現(xiàn)象，對模型的優(yōu)勢和局限性進行再思考，以便進一步的修正。

當然，科學模型建構(gòu)教學并沒有固定和統(tǒng)一的方法，教師在實踐中并不需要嚴格按照以上步驟進行教學，可以結(jié)合不同的學習內(nèi)容，尤其是學生已形成的模型情況進行分析后靈活組合與運用。

2.“光的反射”模型建構(gòu)教學實踐

光是學生生活中最常見的科學現(xiàn)象，也是物質(zhì)科學的重要組成部分。新課標對“光的反射”的學習要求是識別來自物體反射的光（如月光）（3～4年級）和知道來自物體的反射光進入眼睛，能使人們看到光源或該物體（5～6年級）[8]36。筆者在教學中發(fā)現(xiàn)，學生對月相是月球反射太陽光的知識建構(gòu)較為牢固，主要源于學生的閱讀和科普視頻等。但學生對于人為什么能看到身邊的物體卻難以理解，即使在“光的反射”學習結(jié)束后，很多學生對光反射過程的模型建構(gòu)依然不完整、不科學。為此，筆者從模型建構(gòu)的過程出發(fā)，設計了“光的反射”一課，具體教學過程如下（如圖3）。

由圖3可以看出，學生對“光的反射”模型建構(gòu)過程經(jīng)歷了從清晰到模糊，再到清晰的過程。學生對于月相形成的特定反射現(xiàn)象能夠理解，但遇到生活中如何看到其他物體的問題時，學生的原始模型無法進行解釋，很多學生形成的過渡模型存在科學性錯誤。因此，教師設計了暗盒實驗。學生在反復對比后，對模型的理解逐步清晰起來。從學生的描述和表達中可以看出，學生建構(gòu)的模型具有一定的科學性，學生在對現(xiàn)象進行解釋、應用和遷移后不僅能對特殊的反射現(xiàn)象進行解釋，還能對生活中常見的反射現(xiàn)象進行科學解釋，建構(gòu)的“光的反射”模型逐步穩(wěn)定。在此基礎上，教師可以提出新的問題，如“為什么我們能看到有顏色的物體，不同顏色的光照射同樣的物體會出現(xiàn)什么現(xiàn)象”等，引導學生進一步探究與實踐，對建構(gòu)形成的科學模型進行持續(xù)的補充與完善，從而全面、整體地理解“光的反射”。

綜上所述，對科學模型建構(gòu)發(fā)展的梳理和內(nèi)涵的理解是對新課標的解讀，而對科學模型建構(gòu)教學的實踐則是將新課標課程目標落實的探索。筆者認為，在后續(xù)的教學中，教師還需要持續(xù)深入的實踐，形成適合不同年級、不同學習內(nèi)容的模型建構(gòu)的教學方法，為學生科學思維的發(fā)展提供抓手。

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（責任編輯：羅小熒）